JP6650812B2 - 起動用燃焼器、及び当該起動用燃焼器を用いる燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、起動用燃焼器、及び当該起動用燃焼器を用いる燃料電池システムに関する。

従来、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：solid oxide fuel cell）を使用する燃料電池システムがある。固体酸化物形燃料電池は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体を固体電解質に用い、固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持した構造になっている。燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用される。燃料電池システムは、その燃料電池スタックが組み込まれた構造になっている。

燃料電池システムは、起動時に、燃料電池スタックと改質（アノード）ガスを生成する改質器とを短時間で効率的に所望の温度に昇温（暖機）させる必要がある。そこで、燃料電池システムは、起動時に、起動用燃焼器を用いて燃料電池スタックと改質器とを短時間で所望の温度に昇温させて、起動時間の短縮を図っている（例えば、特許文献１参照）。起動用燃焼器は、燃料ガスと空気とを混合させた混合ガスを燃焼させて、燃料電池スタックと改質器とを昇温させる熱量を得ている。

特開２０１４−３２８２３号公報（図１１）

しかしながら、従来の起動用燃焼器は、高い熱量が要求されるため、燃料を良好に燃焼させることが望まれている、という課題があった。

そして、従来の起動用燃焼器は、燃料ガスと空気とを予め混合させる予混合燃焼バーナ構造になっており、バーナ部の上流で燃料が燃焼してしまうことがあるため、燃料の燃焼性を向上させる余地があった。

本発明は、前記した課題を解決するためになされたものであり、安定した先混合燃焼を行う起動用燃焼器、及びその起動用燃焼器を用いる燃料電池システムを提供することを主な目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器であって、燃料を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、前記燃焼室の中央付近に配置された第１整流板と、前記燃料供給管の外側に配置された外板と、を備え、前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、前記燃料供給管の外周側の壁面は、前記第１整流板との間及び前記外板との間に、空気を流動させる空気流動部を形成している構成とする。

この起動用燃焼器は、燃料供給管の壁面で形成された空気通路に向けて燃料ガスを噴出することにより、空気通路内で燃料ガスと空気の混合ガスを生成することができる。そのため、起動用燃焼器は、燃料ガスを好適な燃焼位置に導くことができ、その結果、安定した先混合燃焼を行うことができる。また、この起動用燃焼器は、燃料供給管の外周側の壁面が第１整流板との間及び外板との間に空気流動部を形成することで、前述した好適な燃焼位置に大きく影響せずに、不足分の空気を燃焼位置に供給することができる。そのため、起動用燃焼器は、さらに、安定した先混合燃焼を行うことができる。

本発明によれば、安定した先混合燃焼を行うことができる。

実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 実施形態に係る起動用燃焼器の概略構成説明図である。 実施形態に係る起動用燃焼器の上面図である。 実施形態に係る起動用燃焼器の燃料供給管の横断面図である。 実施形態に係る起動用燃焼器の燃料供給管の縦断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

［実施形態］
＜燃料電池システムの構成＞
以下、図１を参照して、本実施形態に係る燃料電池システムの構成につき説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。本実施形態に係る燃料電池システム１４０は、定置用や車載用等の種々の用途に用いられる。

図１に示すように、燃料電池システム１４０は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１４２と、燃料電池モジュール１４２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１４と、燃料電池モジュール１４２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１６と、燃料電池モジュール１４２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）１８と、燃料電池モジュール１４２の発電量を制御する制御装置２０とを備える。

燃料電池モジュール１４２は、複数の固体酸化物形の燃料電池２２が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２４を備える。燃料電池２２は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質２６の両面に、カソード電極２８及びアノード電極３０が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３２を備える。なお、本実施形態では、燃料電池３０を鉛直方向に積層しているが、特に限られることなく、水平方向に積層してよい。

電解質・電極接合体３２の両側には、カソード側セパレータ３４とアノード側セパレータ３６とが配設されている。カソード側セパレータ３４には、カソード電極２８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３８が形成されるとともに、アノード側セパレータ３６には、アノード電極３０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４０が形成されている。なお、燃料電池２２としては、従来から使用されている種々の固体酸化物形燃料電池を用いることができる。

燃料電池２２の作動温度は、数百℃の高温になる。アノード電極３０では、燃料ガス中のメタンが改質（内部改質）されて水素とＣＯが得られ、この水素とＣＯが電解質２６のアノード電極３０側に供給される。

燃料電池スタック２４には、各酸化剤ガス流路３８の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、酸化剤ガス流路３８の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ、各燃料ガス流路４０の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔４４ａ、及び燃料ガス流路４０の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔４４ｂが設けられる。

燃料電池モジュール１４２は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスを生成する改質器１４６と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を改質器１４６に供給する蒸発器１４８と、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池スタック２４に酸化剤ガスを供給する熱交換器１５０と、燃料電池スタック２４から排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器１５２、及び、原燃料と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器１５４と有する燃焼装置１５５とを備える。

燃料電池モジュール１４２は、基本的には、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器１５６とにより構成される。このＦＣ周辺機器１５６は、改質器１４６、蒸発器１４８、熱交換器１５０及び燃焼装置１５５（排ガス燃焼器１５２及び起動用燃焼器１５４）を備える。なお、改質器１４６及び蒸発器１４８は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

改質器１４６は、原燃料（例えば都市ガス）中に含まれるメタン（ＣＨ_４）の他、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）及びブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）等の高級炭化水素（Ｃ^２＋）を、主としてメタン（ＣＨ_４）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための装置である。改質器１４６の作動温度は、数百℃に設定されている。

改質器１４６は、改質ガス供給室１５８ａと改質ガス排出室１５８ｂとを備えている。改質ガス供給室１５８ａには、後記する脱硫器１０８側と蒸発器１４８側とから原燃料と水蒸気との混合ガスが供給される。

また、改質器１４６には、一部の燃焼ガスを排出する排ガス配管１６４ａの一端が接続されている。排ガス配管１６４ａの他端は、蒸発器１４８の加熱路１６６の入口に接続されている。蒸発器１４８の加熱路１６６の出口には、排気配管１６４ｂが接続されている。

熱交換器１４６には、酸化剤ガス通路７４の一端が接続されている。酸化剤ガス通路７４の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに接続されている。

排ガス燃焼器１５２には、酸化剤排ガス通路６３ａの一端と燃料排ガス通路６３ｂの一端とが接続されている。酸化剤排ガス通路６３ａの他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに接続されている。また、燃料排ガス通路６３ｂの他端は、燃料電池スタック２４の燃料ガス出口連通孔４４ｂに接続されている。

原燃料供給装置１４は、原燃料通路１０４を備える。原燃料通路１０４は、原燃料用調整弁１０６を介して原燃料供給路８８と原燃料供給管５８とに分岐する。原燃料供給路８８の途上には、原燃料中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器１０８が配設されている。一方、原燃料供給管５８は、起動用燃焼器１５４に接続されている。

酸化剤ガス供給装置１６は、第１酸化剤ガス通路１１０ａを備える。第１酸化剤ガス通路１１０ａは、起動用燃焼器１５４に接続されている。酸化剤ガス供給装置１６は、第１酸化剤ガス通路１１０ａを介して酸化剤ガスとしての空気を起動用燃焼器１５４に供給する。起動用燃焼器１５４には、第１酸化剤ガス通路１１０ａと第２酸化剤ガス通路１１０ｂと排気ガス管１１１とが接続されている。第２酸化剤ガス通路１１０ｂは、酸化剤ガス用調整弁１１２を介して酸化剤ガス供給管７２と空気供給管５７とに分岐する。酸化剤ガス供給管７２は、熱交換器１５０に接続されている。空気供給管５７は、原燃料供給管５８の途上に接続されている。排気ガス管１１１は、排ガス燃焼器１５４に接続されている。

水供給装置１８は、水通路１００を介して蒸発器１４８に接続されている。蒸発器１４８は、蒸発リターン管路１０２を介して原燃料供給路８８に接続されている。水供給装置１８は、水通路１００を介して蒸発器１４８に水を供給する。蒸発器１４８に供給された水は、蒸発器１４８内を移動する間に昇温されて、水蒸気化される。この水蒸気は、蒸発リターン管路１０２内を流通して原燃料供給路８８に導入され、原燃料と混合される。その結果、原燃料供給路８８内で、混合ガスが得られる。この混合ガスは、原燃料供給路８８から改質器１４６に供給される。

燃料電池システム１４０の起動時には、空気（酸化剤ガス）及び原燃料が起動用燃焼器１５４に供給される。具体的には、酸化剤ガス供給装置１６では、空気ポンプの駆動作用下に、第１酸化剤ガス通路１１０ａに酸化剤ガスとして空気が供給される。この空気は、起動用燃焼器１５４に供給される。

一方、原燃料供給装置１４では、燃料ガスポンプの駆動作用下に原燃料通路１０４に、例えば、都市ガス（ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０を含む）等の原燃料が供給される。原燃料は、原燃料用調整弁１０６の開度調整作用下に、原燃料供給管５８に導入される。この原燃料は、燃料ガスとして起動用燃焼器１５４内に供給される。

起動用燃焼器１５４内に供給された原燃料と空気は、燃焼室１８８で混合される。これにより、燃焼室１８８内で混合ガスが生成される。起動用燃焼器１５４は、この混合ガスに着火することにより、混合ガスの燃焼を開始する。この燃焼で燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、排気ガスとして排気ガス管１１１を介して排ガス燃焼器１５４に供給され、排ガス燃焼器１５４、熱交換器１５０、改質器１４６及び蒸発器１４８を加熱する。

そして、燃料電池モジュール１２が設定温度に昇温されると、熱交換器１５０には酸化剤ガスが供給され、また、改質器１４６には原燃料及び水蒸気の混合ガスが供給される。具体的には、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管７２への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１０６の開度が調整されて、原燃料供給路８８への原燃料供給量が増加される。また、水供給装置１８の作用下に、水通路１００に水が供給される。

熱交換器１５０に導入された空気は、燃焼ガスにより加熱（熱交換）される。加熱された空気は、酸化剤ガス通路７４を介して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される。

燃料電池スタック２４では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路３８を流通した後、酸化剤排ガスとして酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから酸化剤排ガス通路６３ａに排出される。酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス通路６３ａを介して排ガス燃焼器１５２に導入される。

水供給装置１８から供給される水は、蒸発器１４８に供給される。蒸発器１４８に供給された水は、燃焼ガスにより昇温されて、水蒸気化される。この水蒸気は、蒸発リターン管路１０２に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路１０２内を流通して原燃料供給路８８に導入され、原燃料と混合して混合ガスが得られる。

混合ガスは、原燃料供給路８８から改質器１４６に供給される。混合ガスは、改質器１４６の内部を移動する。その際に、混合ガスは、改質器１４６内に導入された燃焼ガスで加熱されるとともに、改質器１４６内に配置されたペレット状の触媒で水蒸気改質され、Ｃ^２＋の炭化水素が除去（改質）される。その結果、改質器１４６内で、メタンを主成分とする改質ガスが得られる。

この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、改質ガス排出室１５８ｂに一旦供給される。改質ガス排出室１５８ｂには、燃料ガス通路９０の一端が接続されている。燃料ガス通路９０の他端は、燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに接続されている。改質ガス排出室１５８ｂに供給された改質ガスは、燃料ガス通路９０を介して改質ガス排出室１５８ｂから燃料電池スタック２４に供給される。

燃料電池スタック２４では、加熱された燃料ガスは、燃料ガス流路４０を流通した後、燃料排ガスとして燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料排ガス通路６３ｂに排出される。燃料排ガスは、燃料排ガス通路６３ｂを介して排ガス燃焼器１５２に導入される。

排ガス燃焼器１５２は、起動用燃焼器１５４による昇温作用下に、内部が燃料ガスの自己着火温度を超えると、酸化剤排ガスと燃料排ガスとによる燃焼を開始する。

＜起動用燃焼器の構成＞
以下、図２〜図５を参照して、起動用燃焼器１５４の構成につき説明する。図２は、起動用燃焼器１５４の概略構成説明図である。図３は、起動用燃焼器１５４の上面図である。図４は、起動用燃焼器１５４の横断面図である。図５は、起動用燃焼器１５４の縦断面図である。ここでは、前記した原燃料供給管５８、第１酸化剤ガス通路１１０ａを、それぞれ「燃料配管５８」、「空気導入管１１０ａ」、「空気排出管１１０ｂ」と称して説明する。

なお、一般に、起動用燃焼器は、高い熱量が要求されるため、サイズが大型化する傾向にある。本実施形態は、コンパクトな構成の起動用燃焼器１５４を提供することを意図している。また、本実施形態は、バーナ部の上流で燃焼することを防止するために、シンプルな構成で先混合燃焼バーナ構造を実現する起動用燃焼器１５４を提供することも意図している。

図２に示すように、起動用燃焼器１５４の筺体１８１には、燃料ガスを導入する燃料配管５８と、空気を導入する空気導入管１１０ａと、排気ガスを排出する排気ガス管１１１と、一部の空気を排出する空気排出管１１０ｂとが接続されている。図示例では、起動用燃焼器１５４の筺体１８１は、長手方向に延在する長方体状の形状になっている。なお、図２は、筺体１８１を覆うカバー（図示せず）を取り外した状態を示している。

燃料配管５８と空気排出管１１０ｂとは、筺体１８１の一端側に接続されている。また、空気導入管１１０ａと排気ガス管１１１とは、筺体１８１の他端側に接続されている。燃料配管５８は、後記する燃料供給管１９０と同程度の高さの位置に配置されている。空気排出管１１０ｂは、後記する燃料供給管１９０よりも高い位置に配置されている。空気導入管１１０ａは、後記する燃料供給管１９０よりも低い位置に配置されている。空気排出管１１０ｂは、空気導入管１１０ａの上方で、かつ、筺体１８１の上端部付近の位置に配置されている。

起動用燃焼器１５４の筺体１８１の内部には、失火センサＳＮと、燃焼室ユニット１８７とが配置されている。失火センサＳＮは、燃焼室１８８での失火を検知するためのセンサである。燃焼室ユニット１８７は、燃料ガスを燃焼させるユニットである。燃焼室ユニット１８７は、内部に、燃料ガスを燃焼させる燃焼室１８８を有している。燃焼室ユニット１８７は、空気導入管１１０ａよりも高い位置に配置されている。燃焼室ユニット１８７の底板（図示せず）は、部分的に開口している。これにより、燃焼室ユニット１８７は、空気導入管１１０ａから導入された空気を燃焼室ユニット１８７の下方から上方に流すことができる。

図２及び図３に示すように、燃焼室ユニット１８７の内部の中央付近には、Ｙ字整流板１９５が配置されている。なお、図３は、後記するバーナライン１９８を支持する支持部材１９９（図２参照）を削除して起動用燃焼器１５４の構成を示している。Ｙ字整流板１９５は、燃焼室１８８の内部を流動する空気等の流体の流れを整流する部材である。Ｙ字整流板１９５は、断面形状がＹ字形を呈しており、垂直方向に延在する隔壁板と、隔壁板の上端部から斜め方向に傾斜して延在する２枚の傾斜板とを有している。Ｙ字整流板１９５は、燃焼室ユニット１８７の長手方向に直線状に延在するように配置されている。

また、燃焼室ユニット１８７の内部には、燃料を燃焼室１８８に供給する燃料供給管１９０が配置されている。燃料供給管１９０は、略Ｕ字状の上面視形状を呈している。燃料供給管１９０は、「Ｕ字」の開口側が燃料配管５８側に向けられているとともに、全体でＹ字整流板１９５の周囲を囲むように配置されている。燃料供給管１９０は、箱型チャンバ構造になっている。

図３に示すように、燃料供給管１９０は、内部に、燃料ガスを通す１次燃料通路１９１ａと２次燃料通路１９１ｂとを備えている。以下、１次燃料通路１９１ａと２次燃料通路１９１ｂとを総称する場合に、「燃料通路１９１」と称する。

１次燃料通路１９１ａと２次燃料通路１９１ｂとの間には、整流板１９４が配置されている。また、整流板１９４の上方には、バーナライン１９８が配置されている。整流板１９４は、後記する空気通路１９３内を流れる燃料ガス（原燃料）と空気との混合ガスの流れを整流する部材である。バーナライン１９８は、後記する空気通路１９３内を流れる燃料ガス（原燃料）と空気との混合ガスに着火するバーナ部１９７（図５参照）を支持する部材である。バーナライン１９８は、支持部材１９９（図２参照）によって燃焼ユニット１８７の外板等に固定されている。整流板１９４及びバーナライン１９８は、上面視において燃料供給管１９０の略中央部分を通るように、略Ｕ字状の上面視形状を呈している。

図４に示すように、燃料供給管１９０は、１次燃料通路１９１ａに連通する複数の燃料噴出孔１９２ａを有するとともに、２次燃料通路１９１ｂに連通する複数の燃料噴出孔１９２ｂを有している。なお。図４は、図３に示す領域Ｒ１部分の横断面構成を拡大して示している。燃料供給管１９０は、燃料噴出孔１９２ａが形成されている部位Ｐ１９３ａの壁面で、整流板１９４との間に、空気を通す１次空気通路１９３ａを形成している。また、燃料供給管１９０は、燃料噴出孔１９２ｂが形成されている部位Ｐ１９３ｂの壁面で、整流板１９４との間に、空気を通す２次空気通路１９３ｂを形成している。以下、燃料噴出孔１９２ａ，１９２ｂを総称する場合に、「燃料噴出孔１９２」と称する。また、１次空気通路１９３ａと２次空気通路１９３ｂとを総称する場合に、「空気通路１９３」と称する。

燃料噴出孔１９２ａが形成されている部位Ｐ１９３ａは、空気通路１９３ａの延伸方向の線Ｌ１とそれぞれの燃料噴出孔１９２ａを結ぶ線Ｌ２とが略平行になるように、直線状に形成されている。燃料噴出孔１９２ｂが形成されている部位Ｐ１９３ｂも、部位Ｐ１９３ａと同様の形状になっている。

図５に示すように、燃料供給管１９０の壁面は、Ｙ字整流板１９５との間及び筺体１８１の外板１８９との間に、空気のみを流動させる空気流動部１９６を形成している。

起動用燃焼器１５４では、燃料配管５８（図２参照）を介して起動用燃焼器１５４の内部に燃料ガス（原燃料）が供給される。起動用燃焼器１５４は、起動用燃焼器１５４の内部に供給された燃料ガス（原燃料）を燃料供給管１９０の１次燃料通路１９１ａと２次燃料通路１９１ｂとに導入する。１次燃料通路１９１ａに導入された燃料ガスは、燃料噴出孔１９２ａから１次空気通路１９３ａに噴出されて上昇する（矢印Ｆａ参照）。同様に、２次燃料通路１９１ｂに供給された燃料ガスは、燃料噴出孔１９２ｂから２次空気通路１９３ｂに噴出されて上昇する（矢印Ｆｂ参照）。

また、起動用燃焼器１５４では、空気導入管１１０ａ（図２参照）を介して内部に空気が供給される。起動用燃焼器１５４の内部に供給された空気は、１次空気通路１９３ａの下方から１次空気通路１９３ａの内部に進入し、上昇する（矢印Ａ１ａ参照）。このとき、空気は、燃料噴出孔１９２ａから噴出される燃料ガスと混合する。その結果、１次空気通路１９３ａ内で混合ガスが生成される。同様に、起動用燃焼器１５４の内部に供給された空気は、２次空気通路１９３ｂの下方から２次空気通路１９３ｂの内部に進入し、上昇する（矢印Ａ１ｂ参照）。このとき、空気は、燃料噴出孔１９２ｂから噴出される燃料ガスと混合する。その結果、２次空気通路１９３ｂ内で混合ガスが生成される。

起動用燃焼器１５４は、１次空気通路１９３ａ内及び２次空気通路１９３ｂ内で生成された混合ガスにバーナ部１９７で火２０５を着ける。これにより、起動用燃焼器１５４は、燃焼室１８８内で先混合燃焼を行う。

また、起動用燃焼器１５４の内部に供給された空気は、空気流動部１９６を通って上昇し、燃料供給管１９０の上に流れ込む。このとき、Ｙ字整流板１９５は、空気をバーナ部１９７側に誘導する。これにより、起動用燃焼器１５４は、Ｙ字整流板１９５の隔壁板で両側のバーナライン１９８に平均した空気量を配分するとともに、Ｙ字整流板１９５の傾斜板で各燃焼部（炎）に安定して空気を供給することができる。

＜起動用燃焼器の主な特徴＞
（１）起動用燃焼器１５４の燃料供給管１９０は、燃料噴出孔１９２ａ，１９２ｂが形成されている部位Ｐ１９３ａ，Ｐ１９３ｂの壁面で空気を通す空気通路１９３ａ，１９３ｂを形成している（図４及び図５参照）。このような起動用燃焼器１５４は、燃料供給管１９０の壁面で形成された空気通路１９３ａ，１９３ｂに向けて燃料ガスを噴出することにより、空気通路１９３ａ，１９３ｂ内で燃料ガスと空気の混合ガスを生成することができる。そのため、起動用燃焼器１５４は、燃料ガスを好適な燃焼位置に導くことができ、その結果、安定した先混合燃焼を行うことができる。

（２）燃料供給管１９０の壁面は、Ｙ字整流板１９５との間及び筺体１８１の外板１８９との間に、空気のみを流動させる空気流動部１９６を形成している（図５参照）。起動用燃焼器１５４は、前記した特徴（１）で得られた好適な燃焼位置に大きく影響せずに、不足分の空気を燃焼位置に供給することができる。そのため、起動用燃焼器１５４は、さらに、安定した先混合燃焼を行うことができる。

（３）燃料供給管１９０は、内部に、燃料通路１９１と空気通路１９３との組を２系統有している。そして、１次系統側の燃料通路１９１ａと空気通路１９３ａとの間に形成された燃料噴出孔１９２ａと２次系統側の燃料通路１９１ｂと空気通路１９３ｂとの間に形成された燃料噴出孔１９２ｂとは、対向して配置されている（図４及び図５参照）。起動用燃焼器１５４は、１次系統側の燃料噴出孔１９２ａと２次系統側の燃料噴出孔１９２ｂとを対向するように配置したことにより、炎の形状を燃焼に良いとされる形状に設定することができる。また、炎の形状を、整流板１９４の両側でほぼ同様の形状に設定することができる。そのため、起動用燃焼器１５４は、さらに、安定した先混合燃焼を行うことができる。

（４）燃料供給管１９０の燃料噴出孔１９２ａ，１９２ｂが形成されている部位Ｐ１９３ａ，Ｐ１９３ｂは、空気通路の延伸方向の線Ｌ１とそれぞれの燃料噴出孔１９２ａ同士又は燃料噴出孔１９２ｂ同士を結ぶ線Ｌ２とが略平行になるように、直線状に形成されている（図４参照）。このような起動用燃焼器１５４は、シンプルな構成で、コンパクトな先混合燃焼バーナ構造を実現することができる。

（５）空気通路１９３ａ，１９３ｂは、略Ｕ字状の上面視形状を呈しており、略平面上で折り返す形状になっている（図２及び図３参照）。これによっても、起動用燃焼器１５４は、シンプルな構成で、コンパクトな先混合燃焼バーナ構造を実現することができる。

（６）Ｙ字整流板１９５は、バーナライン１９８に対して傾斜して配置された傾斜板を有している（図２及び図５参照）。このような起動用燃焼器１５４は、Ｙ字整流板１９５の隔壁板により各部位でほぼ平均量の空気を両側のバーナライン１９８に供給することができる。また、起動用燃焼器１５４は、Ｙ字整流板１９５の傾斜板により各燃焼部（炎）に安定して空気を供給すること、つまり空気を炎の方に誘導することができる。そのため、起動用燃焼器１５４は、混合ガスの良好な燃焼を実現することができる。

（７）燃料供給管１９０は、箱型チャンバ構造になっている。このような起動用燃焼器１５４は、十分に大きな容積のチャンバ内に燃料ガスを充填することができる。チャンバ内では、燃料ガスの流速が低く、各部位で流速のバラツキが生じ難い。そのため、起動用燃焼器１５４は、燃料ガスの噴出量のバラツキを抑制することができる。このような起動用燃焼器１５４は、燃料供給管１９０の内部圧力が燃料供給部からの距離に関わらず均一化することができるため、各燃料噴出孔１９２から噴出される燃料ガスの流量を均一化することができる。

（８）起動用燃焼器１５４に接続された配管のうち、燃料配管５８は、図３に示すように、溶接部２００ａ，２００ｂで燃焼室ユニット１８７と筺体１８９とに溶接されている。したがって、燃料配管５８は、燃焼室ユニット１８７と筺体１８９とに対して移動不能に取り付けられている。一方、燃料配管５８以外の管１１０ａ，１１０ｂ，１１１は、起動用燃焼器１５４の筺体１８９に対して移動可能に取り付けられている。このような起動用燃焼器１５４は、比較的温度の高い部位（例えばバーナ部１９７）と比較的温度の低い部位（例えば外板１８９）との間で発生する熱膨張の影響（熱応力）を管１１０ａ，１１０ｂ，１１１の周囲で緩和（吸収）することができる。

（９）燃料供給管１９０の内部には、それぞれ空気を通す１次空気通路１９３ａと２次空気通路１９３ｂとが形成されている（図４及び図５参照）。このような起動用燃焼器１５４は、１次空気通路１９３ａにより主に安定した先混合燃焼を行うことができる。また、起動用燃焼器１５４は、２次空気通路１９３ｂにより主に熱気を効率的に送り出すことができる。

以上の通り、本実施形態に係る起動用燃焼器によれば、安定した先混合燃焼を行うことができる。

本発明は、前記した実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や変形を行うことができる。

１４ 原燃料供給装置
１６ 酸化剤ガス供給装置
１８ 水供給装置
２０ 制御装置
２２ 燃料電池
２４ 燃料電池スタック
２６ 電解質
２８ カソード電極
３０ アノード電極
３２ 電解質・電極接合体
３８ 酸化剤ガス流路
４０ 燃料ガス流路
５７ 空気供給管
５８ 原燃料供給管（燃料配管）
７４ 酸化剤ガス通路
１１０ａ 第１酸化剤ガス通路（空気導入管）
１１０ｂ 第２酸化剤ガス通路（排気ガス管）
１１１ 排気ガス管
８８ 原燃料供給路
９０ 燃料ガス通路
１００ 水通路
１４０ 燃料電池システム
１４２ 燃料電池モジュール
１４６ 改質器
１４８ 蒸発器
１５０ 熱交換器
１５２ 排ガス燃焼器
１５４ 起動用燃焼器
１５５ 燃焼装置
１５６ ＦＣ周辺機器
１５８ａ 改質ガス供給室
１５８ｂ 改質ガス排出室
１６４ａ 排ガス配管
１６４ｂ 排気配管
１８７ 燃焼室ユニット
１８８ 燃焼室
１８９ 外板
１９０ 燃料供給管
１９１ 燃料通路
１９１ａ １次燃料通路
１９１ｂ ２次燃料通路
１９２，１９２ａ，１９２ｂ 燃料噴出孔
１９３ 空気通路
１９３ａ １次空気通路
１９３ｂ ２次空気通路
１９４ 整流板
１９５ Ｙ字整流板
１９６ 空気流動部
１９７ バーナ部
１９８ バーナライン
１９９ 支持部材
２００ａ，２００ｂ 溶接部
ＳＮ 失火センサ

Claims (16)

1. 固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器であって、
   燃料を燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、
   前記燃焼室の中央付近に配置された第１整流板と、
   前記燃料供給管の外側に配置された外板と、を備え、
   前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、
   前記燃料供給管の外周側の壁面は、前記第１整流板との間及び前記外板との間に、空気を流動させる空気流動部を形成している
   ことを特徴とする起動用燃焼器。
2. 固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器であって、
   燃料を燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、を備え、
   前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しているとともに、内部に、前記燃料通路と前記空気通路との組を２系統有しており、
   １次系統側の前記燃料通路と１次系統側の前記空気通路との間に形成された前記燃料噴出孔と２次系統側の前記燃料通路と２次系統側の前記空気通路との間に形成された前記燃料噴出孔とは、対向して配置されている
   ことを特徴とする起動用燃焼器。
3. 固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器であって、
   燃料を燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、を備え、
   前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、
   前記空気通路は、略平面上で折り返す形状になっている
   ことを特徴とする起動用燃焼器。
4. 固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器であって、
   燃料を燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、
   前記燃料供給管の上方に配置された複数のバーナ部と、
   前記バーナ部の近傍に配置された第１整流板と、を備え、
   前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、
   前記第１整流板は、それぞれの前記バーナ部によって形成されたバーナラインに対して傾斜して配置された傾斜板を有する
   ことを特徴とする起動用燃焼器。
5. 固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器であって、
   燃料を燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、を備え、
   前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、
   当該起動用燃焼器と外部とを接続する配管のうち、燃料を通す燃料配管は、当該起動用燃焼器の筺体に対して移動不能に取り付けられており、一方、燃料配管以外の管は、当該起動用燃焼器の筺体に対して移動可能になっている
   ことを特徴とする起動用燃焼器。
6. 固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器であって、
   燃料を燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、
   前記燃焼室の中央付近に配置された第１整流板と、を備え、
   前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、
   前記燃料供給管は、内部の中央付近に第２整流板を有しており、かつ、内部の１次系統側の前記燃料通路と前記第２整流板との間に１次系統側の前記空気通路が形成されているとともに、内部の２次系統側の前記燃料通路と前記第２整流板との間に２次系統側の前記空気通路が形成されている
   ことを特徴とする起動用燃焼器。
7. 固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器であって、
   燃料を燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、
   前記燃料供給管の上方に配置された複数のバーナ部と、を備え、
   前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、
   前記複数のバーナ部は、前記燃料通路よりも前記空気通路に近い位置に配置されている
   ことを特徴とする起動用燃焼器。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の起動用燃焼器において、
   前記燃料供給管の前記燃料噴出孔が形成されている部位は、前記空気通路の延伸方向の線とそれぞれの前記燃料噴出孔を結ぶ線とが略平行になるように、直線状に形成されている
   ことを特徴とする起動用燃焼器。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の起動用燃焼器において、
   前記燃料供給管は、箱型チャンバ構造になっている
   ことを特徴とする起動用燃焼器。
10. 電解質膜の両側に積層したアノード極とカソード極とにアノードガスとカソードガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う固体酸化物型燃料電池と、
    前記固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器と、有し、
    前記起動用燃焼器は、
    燃料を燃焼させる燃焼室と、
    前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、
    前記燃焼室の中央付近に配置された第１整流板と、
    前記燃料供給管の外側に配置された外板と、を備え、
    前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、
    前記燃料供給管の外周側の壁面は、前記第１整流板との間及び前記外板との間に、空気を流動させる空気流動部を形成している
    ことを特徴とする燃料電池システム。
11. 電解質膜の両側に積層したアノード極とカソード極とにアノードガスとカソードガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う固体酸化物型燃料電池と、
    前記固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器と、有し、
    前記起動用燃焼器は、
    燃料を燃焼させる燃焼室と、
    前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、を備え、
    前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しているとともに、内部に、前記燃料通路と前記空気通路との組を２系統有しており、
    １次系統側の前記燃料通路と１次系統側の前記空気通路との間に形成された前記燃料噴出孔と２次系統側の前記燃料通路と２次系統側の前記空気通路との間に形成された前記燃料噴出孔とは、対向して配置されている
    ことを特徴とする燃料電池システム。
12. 電解質膜の両側に積層したアノード極とカソード極とにアノードガスとカソードガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う固体酸化物型燃料電池と、
    前記固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器と、有し、
    前記起動用燃焼器は、
    燃料を燃焼させる燃焼室と、
    前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、を備え、
    前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、
    前記空気通路は、略平面上で折り返す形状になっている
    ことを特徴とする燃料電池システム。
13. 電解質膜の両側に積層したアノード極とカソード極とにアノードガスとカソードガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う固体酸化物型燃料電池と、
    前記固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器と、有し、
    前記起動用燃焼器は、
    燃料を燃焼させる燃焼室と、
    前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、
    前記燃料供給管の上方に配置された複数のバーナ部と、
    前記バーナ部の近傍に配置された第１整流板と、を備え、
    前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、
    前記第１整流板は、それぞれの前記バーナ部によって形成されたバーナラインに対して傾斜して配置された傾斜板を有する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
14. 電解質膜の両側に積層したアノード極とカソード極とにアノードガスとカソードガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う固体酸化物型燃料電池と、
    前記固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器と、有し、
    前記起動用燃焼器は、
    燃料を燃焼させる燃焼室と、
    前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、を備え、
    前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、
    当該起動用燃焼器と外部とを接続する配管のうち、燃料を通す燃料配管は、当該起動用燃焼器の筺体に対して移動不能に取り付けられており、一方、燃料配管以外の管は、当該起動用燃焼器の筺体に対して移動可能になっている
    ことを特徴とする燃料電池システム。
15. 電解質膜の両側に積層したアノード極とカソード極とにアノードガスとカソードガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う固体酸化物型燃料電池と、
    前記固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器と、有し、
    前記起動用燃焼器は、
    燃料を燃焼させる燃焼室と、
    前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、
    前記燃焼室の中央付近に配置された第１整流板と、を備え、
    前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔を有しており、当該燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、
    前記燃料供給管は、内部の中央付近に第２整流板を有しており、かつ、内部の１次系統側の前記燃料通路と前記第２整流板との間に１次系統側の前記空気通路が形成されているとともに、内部の２次系統側の前記燃料通路と前記第２整流板との間に２次系統側の前記空気通路が形成されている
    ことを特徴とする燃料電池システム。
16. 電解質膜の両側に積層したアノード極とカソード極とにアノードガスとカソードガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う固体酸化物型燃料電池と、
    前記固体酸化物型燃料電池の昇温に用いる燃焼ガスを生成する起動用燃焼器と、有し、
    前記起動用燃焼器は、
    燃料を燃焼させる燃焼室と、
    前記燃焼室の内部に配置され、内部に燃料を通す燃料通路が形成されている燃料供給管と、
    前記燃料供給管の上方に配置された複数のバーナ部と、を備え、
    前記燃料供給管は、前記燃料通路に連通する複数の燃料噴出孔が形成されている部位の壁面で空気を通す空気通路を形成しており、
    前記複数のバーナ部は、前記燃料通路よりも前記空気通路に近い位置に配置されている
    ことを特徴とする燃料電池システム。

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